大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-速度、加速度的測(cè)定和牛頓運(yùn)動(dòng)定律的驗(yàn)證

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上中國(guó)石油大學(xué)（華東）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng)：大學(xué)物理(一)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：實(shí)驗(yàn)形式：在線(xiàn)模擬+現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐提交形式：提交書(shū)面實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：蓋克許 學(xué) 號(hào)：01年級(jí)專(zhuān)業(yè)層次： 網(wǎng)絡(luò)18春建筑工程技術(shù)網(wǎng)絡(luò)春高起專(zhuān)學(xué)習(xí)中心： 東營(yíng)直屬服務(wù)處1 提交時(shí)間： 2018年 11 月 28日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解氣墊導(dǎo)軌的構(gòu)造和性能，熟悉氣墊導(dǎo)軌的調(diào)節(jié)和使用方法。2了解光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)的基本工作原理，學(xué)會(huì)用光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)測(cè)量短暫時(shí)間的方法。3掌握在氣墊導(dǎo)軌上測(cè)定速度、加速度的原理和方法。4從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證F=ma的關(guān)系式，加深對(duì)牛頓第二定律的理解。5掌握驗(yàn)證物理規(guī)律的基本實(shí)驗(yàn)方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1

2、速度的測(cè)量 一個(gè)作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的物體，如果在tt+t時(shí)間內(nèi)通過(guò)的位移為x（xx+x），則該物體在t時(shí)間內(nèi)的平均速度為，t越小，平均速度就越接近于t時(shí)刻的實(shí)際速度。當(dāng)t0時(shí)，平均速度的極限值就是t時(shí)刻（或x位置）的瞬時(shí)速度                                 

3、;    （1）實(shí)際測(cè)量中，計(jì)時(shí)裝置不可能記下t0的時(shí)間來(lái)，因而直接用式（1）測(cè)量某點(diǎn)的速度就難以實(shí)現(xiàn)。但在一定誤差范圍內(nèi)，只要取很小的位移x，測(cè)量對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔t，就可以用平均速度近似代替t時(shí)刻到達(dá)x點(diǎn)的瞬時(shí)速度。本實(shí)驗(yàn)中取x為定值（約10mm），用光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)測(cè)出通過(guò)x所需的極短時(shí)間t，較好地解決了瞬時(shí)速度的測(cè)量問(wèn)題。 2加速度的測(cè)量 在氣墊導(dǎo)軌上相距一定距離S的兩個(gè)位置處各放置一個(gè)光電門(mén)，分別測(cè)出滑塊經(jīng)過(guò)這兩個(gè)位置時(shí)的速度v1和v2。對(duì)于勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)加速度、速度、位移及運(yùn)動(dòng)時(shí)間之間的關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)加速度a的測(cè)量。（1）由測(cè)量加速度在氣墊導(dǎo)軌上滑塊

4、運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)相隔一定距離的兩個(gè)光電門(mén)時(shí)的速度分別為v1和v2，經(jīng)過(guò)兩個(gè)光電門(mén)之間的時(shí)間為t21，則加速度a為                                       （2）根據(jù)式（2）即可計(jì)算出滑塊的加速度。（2）

5、由測(cè)量加速度設(shè)v1和v2為滑塊經(jīng)過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的速度，S是兩個(gè)光電門(mén)之間距離，則加速度a為                                      （3）根據(jù)式（3）也可以計(jì)算出作勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)滑塊的加速度。（3）由測(cè)量加速

6、度還可以根據(jù)勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)加速度a、位移S（Sxx0）及運(yùn)動(dòng)時(shí)間t之間的關(guān)系式測(cè)量加速度。據(jù)此計(jì)算加速度有多種方法，其中一種方法是根據(jù)式（4）由作圖法求出加速度。                                     &#

7、160; （4）實(shí)驗(yàn)時(shí)固定初位置x0（光電門(mén)1的位置），改變不同的末位置x（光電門(mén)2的位置），使物體（滑塊）從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，測(cè)出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t，作關(guān)系圖線(xiàn)。如果是直線(xiàn)，說(shuō)明物體作勻加速運(yùn)動(dòng)，直線(xiàn)的斜率為。以上介紹了3種測(cè)量加速度a的方法。具體測(cè)量時(shí)先把氣墊導(dǎo)軌調(diào)水平，再使滑塊在水平方向受到一恒力的作用，那么滑塊的運(yùn)動(dòng)就是勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；也可先把氣墊導(dǎo)軌調(diào)水平，然后將其一端墊高h(yuǎn)高度，使氣墊導(dǎo)軌傾斜，滑塊在傾角為的導(dǎo)軌上面下滑，其運(yùn)動(dòng)也是勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。 3驗(yàn)證牛頓第二定律 牛頓第二定律所描述的內(nèi)容，就是一個(gè)物體的加速度與其所受合外力成正比，與其本身質(zhì)量成反比，且加速度的方向與合外力方向相同。

8、數(shù)學(xué)表述為 F=ma                                    （5）為了研究牛頓第二定律，考慮如圖1所示一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體系統(tǒng)，系統(tǒng)由（滑塊）和（砝碼）兩個(gè)物體組成，忽略空氣阻力及氣墊對(duì)滑塊的粘滯力，不計(jì)滑輪和細(xì)線(xiàn)的質(zhì)量等。圖

9、1驗(yàn)證牛頓第二定律調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平后，將一定質(zhì)量的砝碼盤(pán)通過(guò)一細(xì)線(xiàn)經(jīng)氣墊導(dǎo)軌的滑輪與滑塊相連。設(shè)滑塊部分的質(zhì)量為，滑塊本身所受重力為，氣墊對(duì)滑塊的漂浮力為N，此二力相平衡，滑塊在垂直方向受到的合外力為零?；瑝K在水平方向上受到細(xì)線(xiàn)的拉力，此力為重物作用于細(xì)線(xiàn)所產(chǎn)生的張力T，由于氣墊導(dǎo)軌和滑塊及細(xì)線(xiàn)所受的粘滯阻力及空氣阻力忽略不計(jì)，則有                       

10、                 （6）式中a為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的加速度，根據(jù)式（6）有                               

11、;     （7）在式（7）中，若令m=m1+m2表示運(yùn)動(dòng)物體系統(tǒng)的總質(zhì)量，F(xiàn)=m2g表示物體系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)方向所受的合外力，則式（7）即為式（5）F=ma。根據(jù)式（7），驗(yàn)證牛頓第二定律可分為以下兩步來(lái)完成。（1）當(dāng)系統(tǒng)總質(zhì)量m保持不變時(shí)，加速度a應(yīng)與合外力F成正比，比值為常數(shù)，即                         

12、           （8）實(shí)驗(yàn)時(shí)，在保持總質(zhì)量m不變的情況下，改變合外力Fi=m2ig，即逐次改變砝碼盤(pán)中砝碼的質(zhì)量，測(cè)出系統(tǒng)相應(yīng)的加速度ai。如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)式（9）成立，                  （9）則驗(yàn)證了m不變的情況下，a與F成正比。還可以利用上述a和F數(shù)據(jù)作aF關(guān)系圖，若為直線(xiàn)，則可驗(yàn)證式（8）

13、，即a與F成正比。（2）當(dāng)保持系統(tǒng)所受合外力F=m2g不變時(shí)，加速度a的大小應(yīng)與系統(tǒng)的總質(zhì)量m=m1+m2成反比，即                                    （10）同樣，實(shí)驗(yàn)時(shí)保持合外力F=m2g不變，改變系統(tǒng)總質(zhì)量mi=m1i

14、+m2，即逐次向滑塊增加不同重量的質(zhì)量塊，測(cè)出系統(tǒng)相應(yīng)的加速度ai。如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)式（11）成立，           （11）則驗(yàn)證了F不變的情況下，a與m成反比。還可以利用上述a和m數(shù)據(jù)作a關(guān)系圖，若為直線(xiàn)，則可驗(yàn)證式（10），即a與m成反比。如果式（8）和式（10）均被驗(yàn)證，則式（7）即式（5）得到驗(yàn)證，也就是說(shuō)，驗(yàn)證了牛頓第二定律。 三、實(shí)驗(yàn)器材氣墊導(dǎo)軌、光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)、滑塊、砝碼、質(zhì)量塊（鐵塊）等四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌和光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)（1）氣墊導(dǎo)軌的水平調(diào)節(jié) 導(dǎo)軌水平狀態(tài)的調(diào)整是正

15、確使用氣墊導(dǎo)軌的重要內(nèi)容，許多測(cè)量都需要先將導(dǎo)軌調(diào)整到水平狀態(tài)。由于導(dǎo)軌較長(zhǎng)，用一般的水平儀測(cè)量有困難，實(shí)驗(yàn)中常采用觀察滑塊的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)判斷導(dǎo)軌是否水平。調(diào)整氣墊導(dǎo)軌水平有一定的難度，需要耐心地反復(fù)調(diào)整，常用的調(diào)整方法有下列兩種。 （1）靜態(tài)粗調(diào) 導(dǎo)軌通氣后，滑塊放置在導(dǎo)軌上的實(shí)驗(yàn)段內(nèi)，調(diào)整用于水平調(diào)節(jié)的底腳螺絲（圖2中的“9”），直到滑塊保持不動(dòng)，或稍有滑動(dòng)，但不總是向一個(gè)方向滑動(dòng)，則可認(rèn)為導(dǎo)軌基本調(diào)平。（2）動(dòng)態(tài)細(xì)調(diào) 先使滑塊以中等速度平穩(wěn)地從左端向右端運(yùn)動(dòng)，分別記錄先后通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間間隔和，仔細(xì)調(diào)節(jié)底腳螺絲，使和十分接近。當(dāng)導(dǎo)軌完全水平時(shí)，由于滑塊與導(dǎo)軌間的粘滯阻力和滑塊周?chē)目諝?/p>

16、阻力，使比稍長(zhǎng)一些，一般應(yīng)在第三位讀數(shù)以下才有差別。再使滑塊以同樣速度從右端向左端運(yùn)動(dòng)，分別記錄先后通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間間隔和，和也應(yīng)十分接近。這時(shí)可認(rèn)為導(dǎo)軌調(diào)平。（2）調(diào)節(jié)光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)將氣墊導(dǎo)軌上的兩個(gè)光電門(mén)引線(xiàn)接入MUJ電腦式數(shù)字毫秒計(jì)后面板的P1及 P2插口上，打開(kāi)MUJ電腦式數(shù)字毫秒計(jì)電源開(kāi)關(guān)。將氣墊導(dǎo)軌氣源接通，用適當(dāng)?shù)牧ν苿?dòng)滑塊一下，使它依次通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)，看MUJ-613電腦式數(shù)字毫秒計(jì)是否能正常記錄時(shí)間，若不正常請(qǐng)檢查擋光桿是否擋光及檢查光電管照明是否充分。2驗(yàn)證物體系統(tǒng)總質(zhì)量不變時(shí)加速度與合外力成正比保證物體系統(tǒng)總質(zhì)量不變，逐步增加砝碼盤(pán)中砝碼的質(zhì)量，改變外力5次。每一外力下

17、分別記錄滑塊經(jīng)過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間和，重復(fù)測(cè)量6次。3驗(yàn)證物體系統(tǒng)所受合外力不變時(shí)加速度與總質(zhì)量成反比保持砝碼盤(pán)部分的質(zhì)量不變，即合外力不變，在滑塊上逐步增加質(zhì)量塊，改變物體系統(tǒng)總質(zhì)量5次。每一總質(zhì)量下分別記錄滑塊經(jīng)過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間和，重復(fù)測(cè)量6次。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合外力不變時(shí)加速度與系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)系 m=7.97g S=0.5000mM/gt1/st2/sV1/ms-1V2/ms-1a'/ms-2a/ms-2M/kg250.90 33.8 15.1 0.283 0.632 0.320 0.311 0.251 300.90 39.2 16.9 0.244 0.565 0.260 0.260

18、0.301 350.90 47.3 18.7 0.202 0.511 0.220 0.223 0.351 400.90 73.2 20.5 0.130 0.466 0.200 0.195 0.401 450.90 82.5 22.3 0.116 0.428 0.170 0.173 0.451 500.90 134.7 24.1 0.071 0.396 0.152 0.156 0.501 系統(tǒng)質(zhì)量不變時(shí)加速度與合外力的關(guān)系 M=253.9g X=9.550mmM/gt1/st2/sV1/ms-1V2/ms-1a'/ms-2a/ms-2F/N5.97 34.0 17.2 0.281 0.556 0.230 0.230 0.059 6.97 31.4 15.6 0.304 0.610 0.280 0.269 0.068 7.97 29.3 15.0 0.326 0.637 0.300 0.308 0.078 8.97 27.5 13.9 0.347 0.686 0.350 0.346 0.088 9.97 26.1 13.3 0.366 0.717 0.380 0.385 0.098 10.97 25.0 12.7 0.382 0.752 0.42